占婷婷，李 淵，石 輝，郭 平

（1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安710055；2.西安市城市管理局，陜西 西安710007）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市人口的快速增長，城市污水的排放量日益增加，使得生活污水處理廠的污泥產(chǎn)量越來越大［1］。據(jù)統(tǒng)計，西安市2017年市政污泥日產(chǎn)生量已達1 735 t，預(yù)計到2020 年，日產(chǎn)污泥量約3 825 t。如何安全處置和有效利用市政污泥已經(jīng)成為亟待解決的重要問題之一。

由于市政污泥中含有豐富的有機質(zhì)、植物所需的營養(yǎng)成分及各種微量元素［2］，具有較好的植物可利用性及較高的農(nóng)用價值，處理后的污泥可以用作苗圃、園林肥料和土壤改良劑等［3］。美國及歐洲等發(fā)達國家的污泥農(nóng)業(yè)利用率達到了40%～60%，而中國超過80%的污泥通過土地填埋和露天堆放等不合理的方式進行處置，造成資源的浪費［4］。污泥的合理利用具有重要的現(xiàn)實意義，污泥農(nóng)業(yè)利用是其中主要處置方式之一［5］。國內(nèi)外很多研究表明，污泥農(nóng)業(yè)利用可以促進作物生長，同時由于污泥自身的特性不可避免地也會增加土壤及作物中的重金屬含量，重金屬含量的增加與污泥施用量、污泥施用的形態(tài)及作物種類有關(guān)［6-8］。Latare等［9］施用干污泥混合土壤種植水稻和小麥后發(fā)現(xiàn)，污泥施加量為40 t／hm2時，水稻和小麥籽粒產(chǎn)量最高，較對照增加了45%和36%，其中水稻籽粒中重金屬含量超標(biāo)但小麥籽粒中未超標(biāo)；但Bourioug等［10］卻報道施用污泥堆肥30，60 t／hm2后，與對照相比，并未顯著增加歐洲落葉松幼苗體內(nèi)Cd，Pb，Zn含量；戴亮等［11］通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，施用風(fēng)干污泥后，玉米單株生物量顯著高于對照，但出苗率和根長則受到不同程度的抑制，葉片葉綠素含量隨污泥施加量呈先升后降的趨勢；李淑芹等［12］研究發(fā)現(xiàn)施用污泥堆肥后，土壤中Cu，Zn，Cd，Pb含量及大豆不同器官中Cu，Zn，Cd的含量均隨污泥施用量的增加而增加，但土壤和籽粒中Cu，Zn，Cd，Pb含量均未超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而且近年來中國先后采用了更有效的污水處理技術(shù)和更嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，對中國市政污泥中重金屬進行大量統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，重金屬含量呈下降趨勢［13］，這降低了污泥土地利用的環(huán)境風(fēng)險，可提高中國市政污泥的農(nóng)業(yè)資源化利用效率。

雖然許多學(xué)者在污泥農(nóng)用方面做了大量研究，但通常是將風(fēng)干污泥或堆肥化污泥與土壤混和后進行利用，目前國內(nèi)外直接施用脫水污泥進行土地利用的研究鮮有報道，而且污泥的不同施用方式對土壤和植物的影響也少有研究。因此，本文參考農(nóng)家肥的施用方法［14-15］，將生活污水處理廠脫水污泥直接施用于農(nóng)田，研究污泥的施用方式和施用量對玉米生長和品質(zhì)的影響，以期為進一步提高市政污泥利用效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試污泥選用陜西省銅川市新耀污水處理廠脫水污泥（含水率為65.37%），該廠污水主要來源于居民生活排放。試驗地點為陜西省銅川市耀州區(qū)，供試土壤為黃墡土，當(dāng)?shù)啬昶骄邓?38.6 mm，5—9月降水量占全年的72%，年平均氣溫為8.9～12.3 ℃，最高氣溫36 ℃，最低氣溫－10 ℃。污泥和土壤的基本成分及污染物含量如表1所示。試驗期間當(dāng)?shù)亟邓亢蜌鉁厝鐖D1所示。供試作物為玉米，品種為陜單609。

表1 供試污泥和土壤養(yǎng)分及重金屬含量

圖1 試驗期間研究區(qū)的氣溫和降水量情況

1.2 試驗設(shè)計

采用田間小區(qū)試驗，每個小區(qū)面積為20 m2（5 m×4 m），采用裂區(qū)試驗，主處理2個：包括污泥施用方式和施用量。污泥施用方式分別采用溝施、撒施、表土下20 cm 施用，污泥施加量分別為30，90，200 t／hm2。其中，溝施即在小區(qū)內(nèi)開4條深約10 cm，寬約15 cm 的溝，溝內(nèi)施加污泥兩側(cè)進行播種，根據(jù)不同施用量編號為G1，G2，G3；撒施即將污泥撒施在土壤表層，然后用小型旋耕機旋耕后播種，一般影響深度為0—20 cm，根據(jù)不同施用量編號為S1，S2，S3；表土下施用污泥主要借鑒堆肥覆蓋模式，以期解決污泥施用的異味問題；先將20 cm 的表土剝離，將設(shè)計的用量的污泥撒施，然后將表土重新覆蓋后進行播種，根據(jù)不同施用量編號為D1，D2，D3。再設(shè)置一組空白對照CK，每個處理重復(fù)3次，共30個小區(qū)，試驗小區(qū)隨機分布。以上所有處理均施用600 kg／hm2過磷酸鈣（P2O5含量15%）和240 kg／hm2硫酸鉀（K2O 含量50%）作為基肥施入，玉米生長過程無追肥。玉米于2018年6月20日播種，10 d后觀察出苗情況，45 d天后于玉米抽穗期測定株高和葉片葉綠素含量，種植100 d后收獲，計算產(chǎn)量并采集植物樣品。

1.3 樣品的采集和處理

植物樣品采集時，每個小區(qū)取5整株玉米樣品，并將根、葉及籽粒分離出來，去離子水清洗干凈，放入105 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中殺青30 min，然后80 ℃烘干，用粉碎機粉碎成粉末過60目篩，裝袋標(biāo)記。在玉米收獲期進行土壤樣品采集，為保證采集樣品的代表性，采用五點交叉取樣法，每個小區(qū)隨機取5點0—15 cm 土壤混勻為1個樣品，避免在田邊、地角、路旁、污泥聚集區(qū)域等沒有代表性的地方設(shè)點取樣，3種不同施用方式下均選擇玉米植株生長區(qū)附近布點取樣，將采集的土樣經(jīng)風(fēng)干后用四分法取適量，研細過100目篩，密封標(biāo)記保存。

1.4 測定方法

玉米出苗率的測定是在播種時每穴種3顆玉米種子，于10 d后計算各小區(qū)玉米出苗率。玉米葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素總量的測定采用丙酮—乙醇混合液法［16］；玉米籽粒的蛋白質(zhì)含量測定采用福林酚法［17］；土壤和污泥p H 值測定采用電位法；有機質(zhì)含量測定采用總有機碳分析儀；全氮測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；全磷測定采用硝酸—高氯酸—氫氟酸消煮，鉬銻抗比色法；Cu，Zn，Pb的全量采用王水—高氯酸消煮后，原子吸收分光光度法測定；玉米各器官重金屬含量采用硝酸—過氧化氫消煮后，ICP-MS（電感耦合等離子體質(zhì)譜）測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本文用Excel軟件進行數(shù)據(jù)的計算與處理，用SPASS軟件進行數(shù)據(jù)的單（雙）因素方差分析，并用Duncan’s法檢驗差異顯著性（α＝0.05），用Origin軟件進行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤重金屬含量的影響

由于污泥中的重金屬含量偏高，向土壤中施入污泥必然會引起土壤中重金屬含量的升高；且隨著污泥用量的增加土壤重金屬濃度增大。從表2中可以看出，與對照相比，200 t／hm2處理的撒施方式Cu，Zn，Pb與對照相比分別增加了2.17，1.06，0.52倍；溝施Cu，Zn，Pb濃度與對照相比分別增加了1.41，0.63，0.29倍，表土下20 cm 施用污泥Cu，Zn，Pb濃度與對照相比分別增加了0.32，1.31，0.35倍。在中國最新的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，Cu，Zn，Pb的最高上限值分別為100，250，120 mg／kg［18］，即使污泥施用量高達200 t／hm2土壤重金屬含量均未超出標(biāo)準(zhǔn)限值。但3種施用方法，對污泥與土壤的混合程度不一，因此導(dǎo)致不同施用方法之間的土壤重金屬濃度存在差異。

2.2 不同處理對玉米生長和籽粒產(chǎn)量的影響

由表3可知，溝施時，各污泥施用量下玉米出苗率均顯著低于對照，且各處理之間差異顯著，出苗率隨施用量的增加呈降低趨勢，施用污泥200 t／hm2處理時出苗率最低，較對照下降了22.47%；撒施時，玉米出苗率隨污泥施用量的增加呈先升后降趨勢，且各處理之間差異顯著，30 t／hm2污泥施用量出苗率最高，較對照增加了6.71%，30 t／hm2污泥施用量時出苗率最低，較對照下降了17.15%；表土下20 cm 施用污泥，除污泥用量90和200 t／hm2處理組出苗率差異顯著外，其余均差異不顯著；不同的施用方式均表現(xiàn)出200 t／hm2污泥施用量對玉米出苗率有一定的抑制作用。撒施下施用量為30 t／hm2時出苗率最高。

表2 不同試驗處理對土壤重金屬含量的影響

表3 各試驗處理對玉米生長的影響

對于3種施用方式，各處理中株高與對照相比差異不大，單株生物量在污泥施用量30 t／hm2時顯著高于對照，施用量為200 t／hm2時則顯著低于對照；單株生物量最大在溝施、撒施和表土下20 cm 施用污泥30 t／hm2，較對照增加了32.69%，26.92%，11.54%。說明污泥的適量施加對玉米的生長有促進作用，不同施用方法均在施用量為30 t／hm2時生長狀況最佳。

溝施時各處理的籽粒產(chǎn)量均顯著低于對照，且各處理之間差異顯著，籽粒產(chǎn)量隨施用量的增加呈降低趨勢，溝施污泥200 t／hm2處理時籽粒產(chǎn)量最低，較對照下降了32.51%；撒施時，籽粒產(chǎn)量隨施用量的增加呈先升后降趨勢，30 t／hm2和90 t／hm2處理的籽粒產(chǎn)量顯著高于對照，但撒施30 t／hm2和90 t／hm2處理之間差異不顯著，撒施30 t／hm2時產(chǎn)量最高，較對照增加了25.63%，撒施200 t／hm2處理時籽粒產(chǎn)量顯著低于對照，較對照下降了18.91%；表土下20 cm 施用污泥時，各處理的籽粒產(chǎn)量均顯著高于對照，但30 t／hm2和90 t／hm2處理之間差異不顯著，表土下20 cm 施用污泥30 t／hm2時籽粒產(chǎn)量最高，較對照增加了29.64%，由此可知，表土下20 cm施用在整體上較其他2種施用方式有更高的籽粒產(chǎn)量，對籽粒產(chǎn)量進行雙因素方差分析后知，污泥施用方式和施用量對籽粒產(chǎn)量有顯著性影響，其中表土下20 cm 施用污泥30 t／hm2時籽粒產(chǎn)量最高（表3）。這些差異，主要在于不同的施用方式污泥與土壤的混合不均勻，形成局部的污泥高濃度區(qū)，其中污泥的有毒有害物質(zhì)影響了出苗和玉米的生長發(fā)育而致。

2.3 不同處理對玉米葉片葉綠素和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

由圖2可知，對于這3種施用方式，葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素總量均隨著污泥施用量的增加呈先升后降趨勢。撒施時，30，90，200 t／hm2處理中各指標(biāo)值較對照相比均有顯著性差異，但施用污泥30 t／hm2和90 t／hm2之間的差異不顯著，施用污泥200 t／hm2處理中葉綠素a較對照下降了27.52%；葉綠素b含量較對照下降了25.91%；葉綠素總量較對照下降了27.15%。表土下施用時，各處理中葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素總量較對照相比均有顯著性差異，30，90 t／hm2施用量處理下增加最多，葉綠素a含量分別較對照增加了53.39%，33.12%；葉綠素b含量均較對照增加了26.94%；葉綠素總量分別較對照增加了47.22%，31.74%。溝施時，除200 t／hm2處理中各指標(biāo)值較對照相比無顯著性差異外，其余處理均顯著高與對照，30 t／hm2，90 t／hm2施用量葉綠素a含量分別較對照增加了14.98%，46.77%；葉綠素b含量分別較對照增加了14.77%，45.60%；葉綠素總量分別較對照增加了14.93%，46.49%。3種施用方式下的所有處理中，只有地表下20 cm 施用30 t／hm2污泥處理時葉綠素a／b的值顯著高于對照，較對照增加了20.72%，其余處理中葉綠素a／b的值與對照相比均無顯著性差異。由此可以看出，污泥的適量施加可以使葉片葉綠素含量顯著升高，光合作用能力加強，生長受到促進。

圖2 各試驗處理對玉米葉片葉綠素的影響

由圖3可知，溝施時，除30 t／hm2處理中籽粒蛋白質(zhì)含量較對照相比差異不顯著外，其余各組處理均差異顯著，90，200 t／hm2處理中籽粒蛋白質(zhì)含量分別較對照增加了13.15%，20.54%；撒施時，各處理中籽粒蛋白質(zhì)含量較對照相比均有顯著性差異，3個施用量處理中籽粒蛋白質(zhì)含量分別較對照增加了21.85%，15.17%，9.13%，各處理之間差異顯著。表土下20 cm 施用時，各處理下籽粒蛋白質(zhì)含量對照相比均有顯著性差異，3個施用量處理中籽粒蛋白質(zhì)含量分別較對照增加了22.82%，24.30%，38.52%。由此可見，在本試驗的范圍內(nèi)，污泥的施用可以增加籽粒蛋白質(zhì)含量，提高玉米品質(zhì)。對籽粒蛋白質(zhì)含量進行雙因素方差分析后知，污泥施用方式和施用量對籽粒蛋白質(zhì)含量有著顯著性影響，其中表土下20 cm施用污泥200 t／hm2時籽粒蛋白質(zhì)含量最高。

圖3 不同污泥施用量對玉米籽粒蛋白質(zhì)的影響

2.4 不同處理玉米植株器官中重金屬的分配

由表4 可知，對于這3 種施用方式，隨著污泥施用量的增加玉米根和莖葉中的Cu，Zn，Pb 含量均顯著增加，呈現(xiàn)遞增趨勢。所有處理中Cu，Zn，Pb在玉米根部最大含量分別為高出對照142.90%，81.06%，70.83%；Cu，Zn，Pb 在玉米莖葉中的最大含量分別高出對照103.16%，55.21%，42.22%。籽粒中Cu，Zn 含量也隨污泥施用量的增加呈遞增趨勢，最大含量分別高出對照26.77%，94.78%，而籽粒中Pb含量與對照相比差異不顯著。Cu，Pb 在玉米各器官中的分布規(guī)律是：根＞莖葉＞籽粒，Zn在玉米各器官中的分布規(guī)律是：莖葉＞根＞籽粒。根據(jù)中國最新食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［19］，谷物中Pb的最高上限濃度為0.2 mg／kg，對Cu，Zn則沒有限定，因此本試驗處理中玉米籽粒中各重金屬含量均低于標(biāo)準(zhǔn)限值。

表4 玉米根、莖葉和籽粒的重金屬含量 mg／kg

3 討論

污泥施用方式和施用量都對玉米出苗率和籽粒產(chǎn)量有著顯著性影響，3種不同方式下均在施用量為30 t／hm2時有最高的籽粒產(chǎn)量。溝施時出苗率和籽粒產(chǎn)量隨污泥施用量的增加呈下降趨勢，施用量為200 t／hm2時出苗率和籽粒產(chǎn)量最低，較對照分別下降了22.47%和32.51%。市政污泥含水量高，成分復(fù)雜，呈交接狀，一般難以與土壤充分混合，導(dǎo)致局部地點的物質(zhì)濃度過高，從而形成各種的脅迫作用，對作物的出苗極為不利。在我們的試驗中，可能由于溝施時播種區(qū)接近污泥聚集區(qū)，污泥內(nèi)部含有高的鹽分、重金屬和有機酸等有害物質(zhì)會導(dǎo)致有毒的氧自由基的形成［20］，這些影響了其出苗率。而撒施時是將污泥和土壤均勻混合，表土下施用時污泥層上方覆蓋了15—20 cm 的土層，播種深度一般在5 cm 以內(nèi)，種子萌發(fā)時并沒有直接接觸到污泥，因此在同一污泥施用量下，撒施和表土下20 cm 施用與溝施相比有較高的出苗率和產(chǎn)量。因此市政污泥的施用，需要注意不能形成局部污泥的聚集。

這3種施用方式下，株高、單株生物量和葉綠素含量均隨著污泥施用量的增加呈先升后降趨勢，表明污泥在低施用量時對玉米的生長有促進作用，高施用量時污泥中的重金屬離子被吸收利用且在植株體內(nèi)積累，抑制了植物體內(nèi)葉綠素酶的合成以及質(zhì)膜ATP酶等酶促反應(yīng)酶的活性，影響葉綠素生物合成的過程中的酶促反應(yīng)［21］，而葉綠素含量的高低在很大程度可以反映了植株的光合作用和生長狀況，繼而影響株高和生物量。對于籽粒蛋白質(zhì)含量，不同施用方式下所有處理中籽粒蛋白質(zhì)含量均顯著高于對照處理，表土下20 cm 施用200 t／hm2污泥時籽粒蛋白質(zhì)含量最高，高出對照38.52%。其中，撒施時籽粒蛋白質(zhì)含量隨污泥施用量的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢，可能是隨著施用量增加，土壤中合成蛋白質(zhì)的必需元素N 含量增加，同時玉米生長所需其它營養(yǎng)元素也相應(yīng)增加，在一定的濃度范圍內(nèi)促進玉米的生長，而高施用量時污泥中重金屬等有毒離子被大量吸收并富集，玉米體內(nèi)蛋白質(zhì)合成酶變性或活性降低，表現(xiàn)出蛋白質(zhì)的含量降低［22］。

重金屬在玉米植株各器官中的分布結(jié)果表明，本試驗處理中籽粒中各重金屬含量均符合食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（Pb的最高上限為0.2 mg／kg，對Cu、Zn則沒有限定）。籽粒中Cu，Zn含量隨污泥施用量的增加呈遞增趨勢，而籽粒中Pb含量與對照相比差異不顯著，這可能是由于污泥中Pb在土壤上層很容易被固定與土壤有機物形成配合物，進入土壤的Pb只有少部分是溶解態(tài)，而溶解態(tài)的Pb一般只有0.1%～0.3%被植物吸收［23］。Cu，Pb 在玉米各器官中的分布規(guī)律是：根＞莖葉＞籽粒，Zn在玉米各器官中的分布規(guī)律是：莖葉＞根＞籽粒，這可能是由于Zn是植物體內(nèi)碳酸酐酶等與植物的光合作用相關(guān)的一些酶的重要組分，在植物生長期光合作用活躍，莖葉對Zn需求量就大［24］。這與李靜等［25］關(guān)于某鋅廠周圍土壤的玉米器官中重金屬的分布特征報道基本一致。本研究表明污泥最佳處理方式為表土下施用污泥30 t／hm2，在此處理下玉米生長狀況最佳，且土壤和籽粒中重金屬含量也未超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)中國土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)限定，Cu，Zn，Pb的最高上限值分別為：100，250，120 mg／kg，而表土下施用30 t／hm2污泥時土壤中Cu，Zn，Pb含量為：25.11，76.36，15.5 mg／kg，其中Zn為限制性元素，以不超過最新土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為參考，計算每年施用污泥30 t／hm2可以連續(xù)施用5 a［26］。

4 結(jié)論

市政污泥直接施用于土壤，不同的施用方式、不同的污泥用量對土壤中Cu，Zn，Pb重金屬的積累和玉米的生長發(fā)育均有顯著的影響。污泥的施用量不超過200 t／hm2，土壤中Cu，Zn，Pb 滿足土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。施用市政污泥之后，玉米的株高、單株生物量和葉片葉綠素含量均顯著高于對照；玉米籽粒中Cu，Zn的含量隨污泥施用量增加而逐漸增加，籽粒中Pb含量較對照差異不顯著，均滿足國家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。由于污泥成分的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)的交聯(lián)性，施入土壤的污泥在土壤中的局部累積導(dǎo)致出苗率的降低，因此避免污泥與種子接觸的地表下20 cm施用污泥的效果良好，其次為撒施。綜合考慮，表土下20 cm 施用30 t／hm2的污泥時玉米生長狀況最佳。由于污泥中較高的重金屬在土壤中的累積，成為施用污泥的限制因素；在研究區(qū)以重金屬濃度滿足土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為限制條件，推算出當(dāng)?shù)氐氖姓勰嗍┯昧繛?0 t／hm2可以連續(xù)施用5 a。